KR100415250B1 - 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법 및 이를통해 제작된 위상차 필름 - Google Patents

Abstract

본 발명은 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법 및 이를 통해 제작된 위상차 필름에 관한 것으로, 특히 배향막을 코팅한 PET 필름을 이용하여 경화성 네마틱 액정을 원하는 두께로 코팅하고 배향시킨후 UV광조사에 의해 배향상태를 고정시킴으로서 수평 배향에서부터 수직배향에 이르기 까지 다양한 필름을 제조토록 하는 것을 특징으로 하며, 이렇게 제조된 위상차 필름은 STN LCD의 보상에 활용될 수 있다.

Description

네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법 및 이를 통해 제작된 위상차 필름{Fabrication Method Of A Retardation Film Using Nematic Liquid Crystals And A Retardation Film Thereby}

본 발명은 네마틱 액정을 이용한 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법 및 이를 통해 제작된 위상차 필름에 관한 것으로, 특히 배향막을 코팅한 고분자 필름을 이용하여 경화성 네마틱 액정을 원하는 두께로 코팅하고 배향시킨후 UV광조사에 의해 배향상태를 고정시킴으로써, 수평 배향에서부터 수직배향에 이르기까지 다양한 종류의 위상차 필름을 제조토록 하며, 이를 STN LCD의 보상필름으로 이용할 수 있는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법 및 이를 통해 제작된 위상차 필름에 관한 것이다.

일반적으로, 복굴절 위상차(Retardation) 필름은 액정표시장치(LCD)에서 시야각의 보상과 특히 STN mode로 구동되는 LCD의 색을 보상해 주기 위해서 사용되었다.

종래의 많은 복굴절 필름들은 미국 제 5136635호의 특허에서처럼 고분자 필름들을 1축 또는 2축으로 연신하여 원하는 복굴절률(Birefringence)을 얻을 수 있었다.

또한, 미국 제 5743980호의 특허에서는 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴로스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트와 같은 고분자 물질을 알킬(Alkyle)에 녹인 후 유리판 위에 스핀 코팅을 한뒤 열을 가하여 분자를 배열 및 건조시켜서 위상차 필름을 제작하였다.

그러나, 이러한 종래의 위상차 필름 제작방법은 원하는 위상차 값을 쉽게 얻기가 힘들뿐 아니라 연속공정에 의한 대량생산을 하기가 용이하지 못한 문제점이 있다.

아울러, 상기의 종래 제작방법은 물질의 특성상 필름의 두께 방향으로 굴절률이 더 큰 위상차 필름의 제작은 불가능한 문제점이 있다.

한편, 미국 제 5853801호의 특허에서는 유기 용제에 녹인 디스코틱 액정을 배향막층이 코팅된 투명한 플라스틱 필름 위에 연속적으로 코팅한 뒤 용매를 건조시킴으로 하여 디스코틱 액정이 배향막의 정해진 방향으로 정렬 고착됨으로써, 위상차 필름이 제작되었다.

그러나, 상기 종래의 제작방법은 디스코틱 액정을 배향막이 코팅된 PET필름에 연속공정으로 코팅하는 경우는 디스코틱 액정의 특성상 양의 위상차(Positive Retardation)을 갖는 필름을 제작하기가 불가능한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은 플라스틱 기재 위에도 코팅이 가능한 광배향물질을 사용하여 고분자 필름 표면에 박막 코팅하며, 배향막의 배향각도를 UV광조사로 조정하여 그 위에 네마틱 액정을 배향막과 같은 방향으로 배열시키고, 코팅 두께를 조절함으로써 원하는 크기의 위상차를 갖는 필름을 연속으로 대량 생산할 수 있는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법을 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 제 2목적은 상기와 같은 방법을 통해 보다 향상된 박막을 갖는 위상차 필름을 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적들은, 건조기 및 UV 광조사기를 사이에 두고 고분자 필름의 일측은 롤코터(Roll Coater)의 언와인더(Unwinder)에 연결하고, 타측은 리와인더(Rewinder)에 연결하는 단계;

상기 고분자 필름을 코팅롤(Coating Roll)에 밀착 이동시켜 표면에 경화성 네마틱 액정(100)을 연속적으로 박막 코팅되는 단계;

건조기로 용제를 건조 및 제거하여 상기 네마틱 액정(100)을 배향시키는 단계;

UV(Ultra Violet) 광조사로 중합을 진행시켜 상기 네마틱 액정(100)의 배향 상태를 고정시키는 단계;로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법에 의하여 달성된다.

여기서, 상기 네마틱 액정을 배향시키기 위해 상기 고분자 필름 위에 배향막을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 고분자 필름은 PET나 TAC을 포함하는 필름류로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 고분자 필름은 네마틱 액정을 배향시키기 위해서 일방향으로 연신되어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 고분자 필름의 Nz=(n_x-n_z)/(n_x-n_y)값은 1보다 작거나 같도록 상기 네마틱 액정의 배향막 기울기를 조절하여 이루어지며, 여기서, 상기 n_x는 네마틱 액정이 배향된 방향으로 상기 고분자 필름 표면에서의 굴절률 값이고, n_y는 상기 고분자 필름 표면에서 상기 n_x와 수직되는 방향으로의 굴절률 값이며, n_z는 상기 고분자 필름의 표면에 수직되는 방향으로의 굴절률 값인 것이 바람직하다.

아울러, 이러한 본 발명의 목적들은 상기와 같은 제조방법에 의해 제조되는 위상차 필름에 의하여 달성된다.

여기서, 상기 위상차 필름은 위상차값이 100∼300 nm인 것이 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 배향각도에 따른 Nz값의 변화를 도시한 그래프,

도 2는 네마틱 액정이 수평배향된 위상차 필름의 구성도,

도 3은 네마틱 액정이 수직배향된 위상차 필름의 구성도,

도 4는 네마틱 액정이 경사배향된 위상차 필름의 구성도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100: 네마틱 액정 200: 배향막

300: PET 필름 1000: 위상차 필름

본 발명에 관한 설명에 앞서, 본 발명에서 기술하고자 하는 위상차 필름의 제작방법은 배향막을 코팅한 PET 필름위에 네마틱 액정을 코팅하고 배향시켜서 원하는 위상차 필름을 연속적으로 제조하는 방법과 이를 통해 제조된 위상차 필름에 관한 것으로, 상기 위상차 필름은 STN LCD의 보상에 활용될 수 있다.

다음으로는 본 발명에 따른 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법 및 이를 통해 제작된 위상차 필름에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.

도 1은 배향각도에 따른 Nz값의 변화를 도시한 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 그래프에서 X축은 배향각도(Alignment Angle)이며, Y축은 Nz 값으로서, 네마틱 액정(100)의 배향 정도를 나타낸 배향각도와 이에 따라 달라지는 위상차 필름(1000)의 굴절률의 상호관계를 Nz 값을 통해 알 수 있다.

이 때, Nz는 다음과 같이 Nz = (nx - nz) / (nx - ny)로 표현되며, 여기서, 상기 n_x는 네마틱 액정(100)이 배향된 방향으로 상기 고분자 필름 표면에서의 굴절률 값이고, n_y는 상기 고분자 필름 표면에서 상기 n_x와 수직되는 방향으로의 굴절률 값이며, n_z는 상기 고분자 필름의 표면에 수직되는 방향으로의 굴절률 값이다.

특히, 배향각도가 45°를 넘으면서 Nz값이 음의 값을 갖게 되는데, 이것은 일반적으로 사용되는 필름 연신법에 의해서는 만들어지기 어려운 기술인데, 본 발명에서는 광배향방법을 사용하여 배향막(200)의 배향각도를 쉽게 조절할 수 있으며, 배향막(200) 위에 코팅한 네마틱 액정(100)들도 배향된 배향막(200)에 의해서 같은 방향으로 배열을 하게 되어, Nz값이 음이 되는 위상차 필름(1000)을 용이하게 제조할 수 있다.

일반적으로 네마틱 액정(100) 분자는 막대모양 형태로써, 막대 방향의 굴절률이 원통방향의 굴절률보다 큰 값을 갖는 양의 복굴절률 물질이다.

따라서, 액정(100) 분자가 어떻게 배열되느냐에 따라서 전체 시스템의 굴절률 분포는 달라지게 되며, 여러 가지로 응용이 가능해진다.

그 예로 액정(100) 분자의 막대 방향을 모두 같은 방향으로 면에 평행하게 배열을 시키면 nx > ny = nz 인 위상차 필름(1000)을 만들 수 있으며, 액정(100) 분자의 막대 방향이 서로 랜덤(Random)하게 면에 평행하게 배열하게 되면 nx = ny > nz 인 위상차 필름(1000)을 만들 수 있다.

그리고 상기 액정(100) 분자의 막대 방향이 면에 수직하게 배열하게 되면 nx = ny < nz 인 수직 배향 위상차 필름(1000)의 제작이 가능하다.

또한 액정(100) 분자의 막대 방향이 모두 같은 방향으로 배열하지만 면에 수평도 수직도 아닌, 기울어져 배향하게 되면 nx > ny > nz 또는 nz > nx >ny 인 위상차 필름(1000)을 만들 수 있다.

이와 같은 상기 위상차 필름(1000)의 제조과정은 전반적으로 다음과 같다.

우선, 권취된 PET 필름(300)을 고분자 기저 필름으로 하는데, 롤 코터(Roll Coater 미도시)를 이용하여 연속 생산공정을 통해 이루어졌다.

PET 필름(300)을 상기 코터의 언와인더(Unwinder 미도시)에 장착하고, 필름(300)을 건조기(미도시)와 UV 조사기(미도시)를 통과시켜서 리와인더(Rewinder 미도시)에 연결한다.

그리고, 상기 코터를 작동시켜 PET 필름(300)을 코팅롤(Coating Roll 미도시)에 밀착시키도록 하여 상기 코팅롤에 입혀진 용액이 PET 필름(300)으로 전사되도록 한다.

따라서, PET 필름(300)이 상기 코팅롤을 지나가면서 연속적으로 용액을 묻혀 가고, 건조기를 지나면서 용제가 건조 제거되며, UV 광조사기를 통과하면서 네마틱 액정(100)들이 고분자화 되어서 필름형태로 PET 필름(300) 위에 고착됨으로써, 위상차 필름(1000)이 제작되는데, 이와 같은 제조방법에서 콜코터를 이용하는 과정을 롤코팅이라 한다.

이러한 위상차 필름(1000)을 실제로 사용할 때에는 접착제나 점착제를 위상차 필름(1000)의 일면에 코팅하고, 다른 필름과 합착(Lamination)한 후에 기재로 사용한 PET 필름(300)을 제거하면 된다.

이렇게 제조된 위상차 필름(1000)은 STN LCD의 보상필름으로 이용될 수 있는데, STN LCD는 액정셀의 양면에 2장이상의 위상차필름(1000)을 보상필름으로 사용할 수 있다.

현재 보상필름의 재질은 주로 폴리카보네이트(PC)가 주로 이용되고 있다. 폴리카보네이트는 내열성과 투명도는 우수하지만 가격이 비싸고 두께가 두꺼워서 STN LCD의 두께가 증가하는 단점이 있지만, 상기 위상차 필름(1000)을 보상필름으로 이용할 경우 두께증가가 거의 없게 된다.

도 2는 네마틱 액정이 수평배향된 위상차 필름의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 위상차 필름(1000)은 PET 필름(300) 위에 네마틱 액정(100)이 드로잉방향으로 배향된 것으로 이 때 Nz값은 1이다.

이러한 상기 위상차 필름(1000)의 제조방법은 다음과 같다.

일축으로 연신되어 제조되고, 아무 처리도 되지 않은 깨끗한 PET 필름(300)을 준비한 뒤, 그 위에 상술한 롤코팅(Roll Coating)방법으로 네마틱 액정(100)을 도포하였다.

이 때, 네마틱 액정(100)으로는 경화성 네마틱 액정물질(BASF사社)을 사용하였다.

먼저 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone 이하 MEK)에 경화성 네마틱 액정 (100)과 광개시제(IG184, Ciba-Geigy)를 녹여 용액을 제조하였다.

이 때, 용액의 농도는 20 wt%이고, 광개시제 함량은 5 wt% 였다. 이렇게 제조된 용액을 롤코팅 방법으로 PET 필름(300) 위에 박막 도포하고, 건조기를 통과시켜 용제를 건조 및 제거하여 네마틱 액정(100)을 수평배향시킨 후 UV 광조사에 의해 중합을 진행시켜 수평배향 상태를 고정시킴으로써, 위상차 필름(1000)이 제조된다.

이 때, 코팅 속도는 7 m/min이고, 건조 조건은 80℃이며, UV 광조사기로300W(중심 파장 360nm)램프를 사용한다.

상기와 같이 제조된 네마틱 액정(100)이 수평배향된 위상차 필름(1000)의 두께는 1㎛ 였으며, 굴절률의 측정 및 폴라리메터(Polarimeter)를 사용하여 액정 (100)이 수평배향이 되었음을 확인할 수 있다.

이와 같이 측정된 굴절률은, PET 필름(300)의 연신 방향으로 Nx = 1.660, 연신의 수직 방향과 필름(300)면의 수직 방향으로 같은 값인 Ny = Nz = 1.535 의 결과를 얻었다. 이 결과는 폴라리메터(미도시)로부터 측정한 필름(300)의 위상차값인 R=125nm와 잘 일치했고, 가시광 영역인 500nm의 위상차판 역할을 할 수 있다.

도 3은 네마틱 액정이 수직배향된 위상차 필름의 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 위상차 필름(1000)은 PET 필름(300)위에 배향막(200)이 형성되고, 상기 배향막(200) 위로 네마틱 액정(100)이 수직으로 배향되어 있다.

이와 같은 상기 위상차 필름(1000)은 다음과 같이 제조된다.

우선, 광 배향물질을 MEK에 2wt%의 농도를 갖도록 제조된 용액을 일축 연신된 PET 필름(300) 위에 롤코팅 방법으로 박막 코팅하고, 용제를 건조시킨 후 UV 광조사를 통해서 수직 배향성을 갖게 했다. 이 때, 건조 조건은 75^oC 였으며 UV 광조사기로는 중심파장이 360nm인 300W 램프를 사용하였다.

아울러,3-펜타논(3-Penthanon)에 경화성 네마틱 액정(100)과, 광 개시제 (IG184, Ciba-Geigy)를 녹여 농도가 35 wt% 인 용액을 제조하였으며, 이때 광개시제 함량은 5w%였다.

이렇게 제조된 용액을 역시 롤코팅 방법에 의해 배향막(200)이 코팅된 PET 필름(300) 위로 박막 코팅하고, 건조기를 통과시켜 용제를 건조 및 제거하여 네마틱 액정(100)을 수직배향시킨 후 UV 광조사에 의해 중합을 진행시켜 수직배향 상태를 고정시킴으로써, 위상차 필름(1000)을 제조하였다.

이 때, 코팅 속도는 7 m/min이고, 건조 조건은 80℃이며, UV 광조사기로는 중심파장이 360nm인 300W 램프를 사용하였다.

이와 같이 제조된 네마틱 액정(100)이 수직배향된 위상차 필름(1000)의 두께는 5㎛ 였으며, 굴절률 측정과 더불어 교차된 폴라라이저(Crossed Polarizer)를 사용하여 필름(1000)이 수직배향되었음을 확인할 수 있다.

측정된 수직배향 위상차 필름(1000)의 굴절률은 상기 필름(1000)의 표면 방향에서 Nx = Ny = 1.535로 균일하였으며, 상기 필름(1000)의 수직 방향으로 Nz = 1.668로 가장 큰 값이었다.

이렇게 제조된 위상차 필름(1000)은 음의 복굴절(Negative Birefringence)을 보상하는데 사용할 수 있다.

도 4는 네마틱 액정이 경사배향된 위상차 필름의 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 위상차 필름(1000)은 PET 필름(300) 위에 배향막(200)이 코팅되고, 그 위로 네마틱 액정(100)이 소정각도(Θ)로 경사지도록 배향되어 있다.

이러한 위상차 필름(1000)은 네마틱 액정(100)이 수평도 수직도 아닌, 기울어져 배향된 것으로 이 때 각 복굴절율은 nx > ny > nz 또는 nz > nx > ny 와 같은 상호 관계를 갖는다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법 및 이를 통해 제작된 위상차 필름에 따르면, 배향막을 코팅한 PET 필름을 이용하여 경화성 네마틱 액정을 원하는 두께로 코팅하고 배향시킨 후 UV광조사에 의해 배향상태를 고정시킴으로서 수평 배향에서 부터 수직배향에 이르기 까지 다양한 필름을 제조할 수 있는 특징이 있다.

또한, 본 발명을 적용함에 있어서 위상차 필름 재료로 네마틱 액정을 사용하기 때문에, 배향각도에 따른 필름의 굴절률 분포를 쉽게 알 수가 있는 효과가 있다.

아울러, 모든 네마틱 액정이 같은 방향으로 정렬을 하면 굴절률은 액정분자의 굴절률과 같은 값이 되므로 배향막의 각도와 필름의 두께만 설계하면 필요한 위상차를 갖는 필름을 만들 수가 있는 효과가 있다.

또한, 플라스틱 필름을 사용하는 종래의 위상차 필름에 비해서 같은 위상차를 가지면서도 더 얇은 필름을 제작할 수 있는 장점이 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 설명과 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (8)

1. 건조기 및 UV 광조사기를 사이에 두고 고분자 필름의 일측은 롤코터(Roll Coater)의 언와인더(Unwinder)에 연결하고, 타측은 리와인더(Rewinder)에 연결하는 단계;

   상기 고분자 필름을 코팅롤(Coating Roll)에 밀착 이동시켜 표면에 경화성 네마틱 액정(100)을 연속적으로 박막 코팅되는 단계;

   건조기로 용제를 건조 및 제거하여 상기 네마틱 액정(100)을 배향시키는 단계;

   UV(Ultra Violet) 광조사로 중합을 진행시켜 상기 네마틱 액정(100)의 배향 상태를 고정시키는 단계;로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 네마틱 액정(100)을 배향시키기 위해 상기 고분자필름 위에 배향막을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 고분자 필름은 PET나 TAC를 포함하는 필름류로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 고분자 필름은 네마틱 액정(100)을 배향시키기 위해서 일축방향으로 연신되어진 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 네마틱 액정(100)은 복굴절률이 0.01∼0.2인 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 고분자 필름의 Nz=(n_x-n_z)/(n_x-n_y)값은 1 보다 작거나 같도록 상기 네마틱 액정(100)의 배향막 기울기를 조절하여 이루어지며,

   여기서, 상기 n_x는 네마틱 액정(100)이 배향된 방향으로 상기 고분자 필름 표면에서의 굴절률 값;

   n_y는 상기 고분자 필름 표면에서 상기 n_x와 수직되는 방향으로의 굴절률 값;

   n_z는 상기 고분자 필름의 표면에 수직되는 방향으로의 굴절률 값;인 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 위상차 필름의 제작방법.
7. 제 1항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 위상차 필름.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 위상차 필름(1000)은 위상차값이 100∼300 nm 인 것을 특징으로 하는 위상차 필름.